[论文解读] NOMA Assisted Wireless Caching: Strategies and Performance Analysis

Zhiguo Ding, Pingzhi Fan+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 40被引用 8

一句话总结

本文提出两种非正交多址（NOMA）辅助的无线缓存策略——推送-然后传输（push-then-deliver）与推送-并传输（push-and-deliver），以在传统离峰时段缓存不可行的高峰时段实现高效的内容更新。通过利用非正交多址技术实现内容推送与传输的并行进行，与传统的正交多址（OMA）缓存方案相比，该方案显著提升了频谱效率和缓存命中率，其性能增益在蜂窝网络与设备到设备（D2D）场景中均得到理论验证。

ABSTRACT

Conventional wireless caching assumes that content can be pushed to local caching infrastructure during off-peak hours in an error-free manner; however, this assumption is not applicable if local caches need to be frequently updated via wireless transmission. This paper investigates a new approach to wireless caching for the case when cache content has to be updated during on-peak hours. Two non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted caching strategies are developed, namely the push-then-deliver strategy and the push-and-deliver strategy. In the push-then-deliver strategy, the NOMA principle is applied to push more content files to the content servers during a short time interval reserved for content pushing in on-peak hours and to provide more connectivity for content delivery, compared to the conventional orthogonal multiple access (OMA) strategy. The push-and-deliver strategy is motivated by the fact that some users' requests cannot be accommodated locally and the base station has to serve them directly. These events during the content delivery phase are exploited as opportunities for content pushing, which further facilitates the frequent update of the files cached at the content servers. It is also shown that this strategy can be straightforwardly extended to device-to-device caching, and various analytical results are developed to illustrate the superiority of the proposed caching strategies compared to OMA based schemes.

研究动机与目标

• 解决传统无线缓存的局限性，即假设内容推送在无误、离峰时段进行，通过在高峰时段实现动态内容更新。
• 克服在回传容量受限且高峰时段传输不可避免的情况下，频繁缓存更新的挑战。
• 设计基于NOMA的策略，将干扰作为资源加以利用，实现内容推送与传输的并行支持，从而提升频谱效率。
• 将所提策略扩展至设备到设备（D2D）缓存场景，以支持去中心化的内容分发与更新机制。
• 在真实网络条件下，对所提方案的性能进行理论评估，包括中断概率与频谱效率。

提出的方法

• 提出推送-然后传输策略，即在短时间内专用于高峰时段，利用时频域功率域NOMA向内容服务器推送多个内容文件，实现对多个用户的并行传输。
• 实施推送-并传输策略，即在传输阶段中，利用无法本地服务的用户请求，机会性地将新内容推送到缓存中，从而利用现有传输机会。
• 采用泊松点过程的随机几何框架对网络进行建模，以分析蜂窝与D2D缓存场景中的干扰与中断性能。
• 利用贝塔函数与矩生成函数近似等工具，推导出跨小区干扰的拉普拉斯变换与中断概率的闭式表达式。
• 采用时频域功率域NOMA模型，结合叠加编码与连续干扰 cancellation（SIC），实现多个用户在同一时频资源块中解码不同文件。
• 通过数值评估验证理论结果，将所提方案的频谱效率与中断性能与传统OMA基缓存方案进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当内容更新必须通过无线方式在高峰时段传输时，如何有效维持无线缓存？
• RQ2 与传统的正交多址（OMA）方案相比，基于NOMA的缓存方案在频谱效率与缓存命中率方面有何性能增益？
• RQ3 能否利用内容分发阶段同时更新缓存？若能，这对系统性能有何影响？
• RQ4 所提出的推送-并传输策略如何利用用户请求动态，在不增加额外带宽的前提下实现持续缓存更新？
• RQ5 在随机几何建模下，NOMA辅助缓存在蜂窝与D2D网络中的理论中断性能极限是什么？

主要发现

• 推送-然后传输策略通过利用时频域功率域NOMA实现内容推送与传输的并行，相比OMA方案实现了更高的频谱效率。
• 推送-并传输策略通过利用传输阶段的传输机会进行缓存更新，减少了对专用离峰时段的依赖，从而提升了缓存的新鲜度。
• 理论分析结果表明，所提NOMA方案的中断概率低于OMA方案，尤其在用户密集部署的高负载场景中表现更优。
• 利用贝塔函数，推导出跨小区干扰的拉普拉斯变换的闭式表达式，从而在瑞利衰落与泊松分布干扰源条件下实现可处理的性能分析。
• 通过中断概率表达式，定量证明了NOMA相比OMA的性能增益，表明在蜂窝与D2D缓存场景中均有显著提升。
• 所提策略可直接扩展至设备到设备缓存，实现对去中心化内容共享与更新机制的支撑，且对基础设施依赖极低。